[发明专利]经铝干式涂覆的阴极材料前体

说明书

技术领域

本发明涉及用于在可再充电的锂电池中使用的阴极材料的前体化合物，并且，更具体地，涉及微粒的过渡金属氢氧化物M(OH)₂或金属羟基氧化物MOOH前体化合物。

背景技术

由于可再充电的锂和锂离子电池的高能量密度，它们被广泛地用作便携式电子装置（例如便携式电话、膝上计算机、数码照相机或摄像机）的电源。可商购的锂离子电池典型地由一个基于石墨的阳极和一个活性的阴极组成，其中锂离子可以被可逆地嵌入和释放。

以前，LiCoO₂是使用最多的阴极材料。然而，基于LiCoO₂的阴极材料是昂贵的并且典型地具有约150mAh/g的相对低的容量。因此，正在进行用多种材料（如基于氧化锂镍的阴极(LNO)，例如LiNi_0.8Co_0.2O₂；富含镍的锂镍锰钴氧化物(LNMO)，例如LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂；或锂镍锰钴氧化物(LMNCO)，例如LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂）来取代LiCoO₂。然而，关于这些分层的氧化物的一种重要的考虑是它们在有机电解质中的热不稳定性。如果将电池充电，可能地，脱锂的阴极与电解质进行反应，产生加速该反应的热量，这最终可能引起“热失控”，这意味着电池爆炸。如果阴极的掺杂降低了阴极与电解质的反应性，则它可以有助于改进电池的安全性。

通常已知的是可以将铝掺杂到这些阴极材料中。铝掺杂改进了这些材料的安全性也是被广泛接受的。例如，一种相关的铝掺杂的材料(NCA)LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂是可商购的，而由于相对高的热不稳定性实际上LiNi_0.8Co_0.2O₂是不被使用的。总体上，如果将铝掺杂到具有一种层结构的分层的阴极材料中，该可逆的容量随着每mol%的铝减少1-2mAh。因此，LiNi_0.8Co_0.2O₂具有在4.3-3.0V下约200mAh/g的可逆容量，但是5%Al掺杂的材料(NCA)具有约190-194mAh/g。然而，如果改进的安全性方面的增益是相对显著地，那么这种容量的减少会是可接受的。

然而，对于其中能量密度可能是较不重要的应用，例如对于大尺寸的电池（像HEV或EV电池），目前考虑的是基于Li-Mn-O尖晶石以及LiFePO₄的阴极材料，这是基于它们的较好的安全性能，尽管它们的能量密度比上述的LNO、LNMO、以及LMNCO材料低得多。

研究已表明铝在LNMCO阴极材料中的固溶体的“溶解度”是相对高的，即，随着铝掺杂水平的增加，热不稳定性降低并且因此安全性相对快地增加，并且可以将相对显著量的铝掺杂到LMNCO阴极材料中，同时保持比基于Li-Mn-O尖晶石或LiFePO₄的阴极材料更高的体积能量密度。考虑了这些事实，显然具有相对高浓度（例如>5mol%Al/(Al+过渡金属)）的铝掺杂可以是用来实现具有比基于Li-Mn-O尖晶石以及LiFePO₄的阴极材料更优异性能的阴极的一种有希望的途径。

然而，一个主要的问题是用铝掺杂不是一个简单的过程。在生产规模下，LNMCO阴极典型地是由混合的金属前体（如混合的过渡金属氢氧化物M(OH)₂或羟基氧化物MOOH）制备的。这些前体典型地是通过将一种碱和酸溶液（有可能在一种螯合剂例如NH₄OH的存在下）进行沉淀而得到的，例如，2NaOH+MSO₄→M(OH)₂+Na₂SO₄。然后通常将该前体与一种锂源（例如，Li₂CO₃）混合，紧接着是一个简单的固相反应。